單電源緩沖器電路的實(shí)際設計

　本系列的第5部分將著(zhù)重討論“實(shí)際”應用，我們到目前為止所學(xué)會(huì )的技巧和經(jīng)驗都將得到應用，幫助我們方便地穩定一個(gè)復雜的電路。我們將設計一個(gè)通用單電源緩沖放大器（將2.1V 緩沖至4.1V 參考），5V 單電源供電使它能夠線(xiàn)性地工作，可提供較大的輸出電流（》13mA），并在 -40°C 至 +125°C 工作溫度范圍的飄移為0.4V。雖然可將該電路用于許多應用中，但我們仍將簡(jiǎn)要介紹一下促使給出這個(gè)設計的原因，并解釋為何沒(méi)有現成的電路可用來(lái)完成此項工作。我們這里采用綜合技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)器件網(wǎng)絡(luò )，以提供一個(gè)證明對許多運放應用都有益的穩定電路。

　　技術(shù)背景：

　　在實(shí)際應用中，惠斯通電橋的一個(gè)常見(jiàn)應用就是壓力測量。如圖5.1 所示，隨著(zhù)所加壓力變化，很多這種壓力傳感器都具有明顯的二階非線(xiàn)性特性。

　　圖5.1 典型實(shí)際傳感器輸出比所加壓力

　　圖字（上、下）：室溫下電橋輸出與壓力關(guān)系、理想傳感器、實(shí)際傳感器；

　　坐標軸字： X 軸：壓力、Y 軸：Vexc=1V 時(shí)的電橋輸出（V/V 或Vbridge）

　　除了隨所加壓力變化而產(chǎn)生的非線(xiàn)性外，許多壓力傳感器隨溫度變化在偏移量和范圍上也有非線(xiàn)性特性。用來(lái)校

　　正這些誤差的一種現代解決方法是在壓力傳感器中內置電子電路，然后將電子電路與壓力傳感器作為一個(gè)模塊，

　　隨著(zhù)溫度的變化進(jìn)行數字校準。一種適用于此類(lèi)用途的IC是由德州儀器公司提供的Burr-Brown產(chǎn)品PGA309（如

　　圖5.2 所示）。此輸出電壓已經(jīng)過(guò)數字校準的傳感器，其信號調整IC包含有一個(gè)模擬傳感器線(xiàn)性化電路，該電路

　　將輸出電壓的一部分反饋至傳感器的電壓激勵引腳，從而以20:1 的改良比例對二階非線(xiàn)性進(jìn)行線(xiàn)性化。因此，

　　VEXC引腳將隨傳感器所加壓力的變化而對其電壓進(jìn)行調整。此電路的一個(gè)局限就是其傳感器激勵引腳VEXC，在工

　　作溫度范圍內限制在5mA最大輸出電流上。這里我們遇到了一個(gè)兩難的境地，即如何用一個(gè)阻抗來(lái)激勵要求電流

　　超過(guò)5mA的傳感器。

　　圖 5.2：現代數字校準傳感器信號調整器

　　圖字（左右、上下）：非線(xiàn)性電傳式感器、線(xiàn)性化電路、參考、模擬傳感器線(xiàn)性化電路、線(xiàn)性化DAC、故障監視器、自動(dòng)零點(diǎn)PGIA、過(guò)/欠刻度限幅器、模擬信號調整電路、外部溫度、數字溫度補償、內部溫度、溫度ADC、控制寄存器接口電路、線(xiàn)性Vout、數字計算。

　　設計要求：

　　圖5.3 詳細給出了主要的設計指標。我們希望用一個(gè)容差為10%的5V電源來(lái)供電。我們需要一個(gè)統一增益緩沖器，因為我們不希望在PGA309 線(xiàn)性化環(huán)路中引入任何誤差。由于PGA309 在VEXC引腳上有很寬的可編程范圍，因此我們需要容納從2.1V至4.1V的電壓范圍。我們最小的傳感器阻值為300Ω。因此，對于最大4.1V的輸出電壓，我們至少需要提供13.6mA的電流。PGA309 線(xiàn)性化電路具有大約35 kHz的帶寬。由于環(huán)路閉合的方式，我們的緩沖器帶寬至少要等于或大于線(xiàn)性化環(huán)路的帶寬。我們將目標定為100kHz的小信號閉環(huán)帶寬。對于我們感興趣的傳感器應用來(lái)說(shuō)，大信號響應若有1V/μs的擺動(dòng)速率就足夠了。該設計在從 -40°C 至 +125°C的溫度范圍內應該是穩定工作的。因為我們不希望由于緩沖器的原因而在最后應用電路中引入任何額外的誤差，因此我們需要一個(gè)在運放共模輸入范圍內不會(huì )有任何交叉失真的電路。我們將簡(jiǎn)要討論一下這個(gè)問(wèn)題，因為它幾乎對所有CMOS單電源軌至軌輸入 （RRI） 運放來(lái)說(shuō)都是一個(gè)問(wèn)題。

　　圖5.3 單電源、大電流緩沖器指標